IEEE 802.15.4在工控领域应用 的可靠性研究

IEEE 802.15.4在工控领域应用

的可靠性研究

浙江中控技术股份有限公司 谭 平 章 涵 许剑新 冀翔宇

摘 要：苛刻的环境要求，一直阻碍着无线技术在工业控制领域应用。但最近无线技术有了新的变化，特别是IEEE 802.15.4无线通信技术成为工控领域研究与应用的热点。本文着重分析了无线通信技术的特点，并对IEEE 802.15.4通信技术自身的可靠性进行分析，最后提出了在实际应用中采用分时跳频的方法提高IEEE 802.15.4无线通信的可靠性。

关键词：IEEE 802.15.4 可靠性 无线 工业控制

1. 引言

近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点，也是工业自动化产品未来的新增长点。在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。

基于IEEE 802.15.4的无线通信技术主要应用于相对短程的信息传输，可以实现无线设备之间的自组网，它不像无线局域网需要基础设施（如基站、AP等）。因此，与其他的无线通信技术相比，具有复杂度低、布线成本极低、功耗很小的特点，在工业控制领域中的应用越来越广。与其他无线通信技术一样，IEEE 802.15.4无线通信技术的无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的环境下。因此，在传输过程中，它常常会遇到衰变、易受干扰以及信息安全受威胁较大等问题。

2. 无线通信技术特点

无线信号，也即电磁波，在空中的传播类似于光的传播，根据空间环境的不同，会发生直线传播、反射、衍射和散射。信号经过反射后，接收端会收到多个功率减弱、经过时延及相位改变的额外复制信号；经过衍射，处于障碍物之后的接收端仍可接收到信号，虽然信号的强度和相位发生变化，且经过时延；无线通信信号散射后，会向各个方向传播，但总体而言经过散射的信号能量仍比前两者要强。根据无线信号在空间传输的机理，即使是在自由空间的传输，经过一段距离之后，也必然会有信号的功率衰减，影响功率衰减的因素见表1。

表1 影响功率衰减的因素

无线网络的另外一个焦点问题就是干扰。干扰是影响无线网络容量的一个主要的因素，主要表现为通道间的串扰以及数据传输的阻塞。这里的干扰主要是指处在同一频段的各种空间信号的干扰。干扰源分为两大类，一类是不同频率的相邻通道干扰源，例如IEEE 802.15.4的相邻信道，15信道对16信道的干扰；另外一类是不同子网或其他类型网络的同一频率的通道干扰源，例如IEEE 802.15.4的通信网络与处于同一频段的IEEE 802.11b/g网络之间，或者相隔一定距离，但采用同一信道的两个IEEE 802.15.4的子网之间的干扰。对于长期存在强电磁场覆盖的空间环境，以及具有覆盖整个无线通信频段的白噪声空间，如变频器附近、大型电机附近、存在恶意攻击信号的环境等等，将对无线通信质量产生较大的负面影响。在这样的场合无线通信技术的适用性较差，即使是有线通信经过屏蔽等特殊处理措施，也不一定能够保证正常通信。

3. IEEE 802.15.4技术的可靠性分析

IEEE 802.15.4物理层采用直序扩频系统，即用伪随机噪声(PN)脉冲序列去调制要发送的窄带信息载波信号。每1bit被扩频至32个码片的PN序列，如表2所示，由于PN序列的脉冲频率（即chip rate）远高于信息的速率（即symbol rate），调制的结果便实现了扩频。扩频量与处理增益（即chip rate/symbol rate的比率）有关。它是与系统的抗干扰和抗多径时延扩展性能相关的参数。处理增益越大，抗干扰和抗多径时延干扰的能力越强。

表2 位0(0bit)扩频之后的PN序列示例

工作在2.4GHz频段的IEEE 802.15.4的扩频量处理增益为32，远高于其他的无线通信技术（例如IEEE 802.11的处理增益为11），因而基于IEEE 802.15.4的无线通信技术具有较高的抗干扰与多径时延干扰的能力。

IEEE 802.15.4使用频段有2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段以及美国的915MHz频段，低于1GHz的信道采用了BPSK的调制方式，工作的2.4GHz频段的信道则采用O-QPSK的调制方式。通过PSK的调制方式产生的无线信号，具有很强的抗干扰能力，即使在信号很弱，干扰很强的环境中，有效信号也能够被恢复出来。实验证明，IEEE 802.15.4误码率（特别是在信噪比为4dB的情况下）可达到10-9。达到同样误码率，802.15.1信噪比是15dB，802.11b是10dB，如图1所示。这就使得在干扰噪声较大的环境中，基于IEEE 802.15.4的设备与其他的无线设备相比有更高的鲁棒性，更强的抗干扰能力以及更高的可靠性。

图1 各种不同无线通信技术的信噪比与误码率关系对比图

基于IEEE 802.15.4的无线通信技术，在MAC层采用了ARQ、AES-128加密算法，该算法用128位的块长度予以参数化，密钥长度选择为128位，从自身角度提高了无线传输的安全性。IEEE 802.15.4的无线通信技术是物理层和MAC层的规范，在具体的应用过程中，我们还可以从用户层进行安全设计，或者设计独立的安全层来进一步保证通信的安全性。

4. 如何在应用中提高可靠性

基于ISM 2.4GHz频段的典型无线技术标准有蓝牙(Bluetooth)、IEEE 802.15.4、无线USB(WirelessUSB)、无线局域网Wi-Fi(IEEE 802.1b/g)等。在人们享受方便快捷的时候，这些技术的兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了2.4GHz(2.405～2.483GHz)ISM频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤，各种信号带宽见图2所示。在工业控制领域采用IEEE 802.15.4的无线通信技术，就是要解决基于2.4GHz频段的干扰和共存性问题。这个问题包括两个方面，一方面是如何提高自身的抗干扰能力，另一方面是如何减少对其他设备的干扰。

图2 2.4G频段信号带宽图

IEEE 802.15.4的底层标准把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz，如图3所示。
Wi-Fi（北美）将该频段划分为信道1、信道6和信道11，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22MHz，无重叠的信道有15、20、25、26。

图3 信道分布图

从图3我们可以看到，IEEE 802.15.4的15、20、25、26通道没有与802.11（北美地区）的频段重叠，该通道本身受干扰或者干扰其他设备的概率很小，因而如果使用这些通道，我们可以用其进行设备的查询和发现操作，而对于重叠的部分如何使用，我们可以采用分时跳频策略，如图4所示。

图4 混合调度分时跳频示意图

采用分时跳频策略可以保证即使在某些信道被长期占用或者某些信道被干扰的情况下，仍可以跳开这些信道，避开干扰，利用其他的信道进行数据发送；与此同时，采用跳频技术使得基于IEEE 802.15.4无线通信技术的设备不会长期占用某一信道，从而不影响其他设备使用该信道。所以，设计合理的跳频顺序和跳频时间间隔，采用跳频策略对提高无线系统的可靠性、与其他无线设备的共存性有着非常积极的意义。

5. 总结

无线通信技术有很多的优点，在工业控制领域和流程工业领域将会有很广阔的前景。但将无线技术在工业控制，特别是流程工业中进行规模化应用，除了可靠性技术外，还需要研究流程工业的特点与需求，解决无线通信技术在流程工业中应用的关键问题，如确定性通信与实时通信技术、网络可靠性技术、可靠的时间同步技术、安全技术、低功耗技术、安装覆盖技术，从而形成无线通信技术在流程工业中应用的解决方案。

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这个很不错！很有必要研究下！